Nové protihlukové prvky z drcené gumy Ing. Martin Lidmila, Ph.D., ČVUT v Praze Fakulta stavební, lidmila@fsv.cvut.cz, Doc. Ing. Hana Krejčiříková, CSc., ČVUT v Praze Fakulta stavební, krejcirikova@fsv.cvut.cz, Ing. Karel Šafner, MONTSTAV CZ, s.r.o, Dolní Rychnov, karel.safner@montstav.cz Souhrn V příspěvku je prezentována část výsledků grantového projektu TAČR číslo č. TA 01020760 "Multifunkční gabion s využitím recyklovaných materiálů. Podrobně je příspěvek zaměřen na problematiku, vývoje nové hlukově pohltivé vrstvy z drcené gumy včetně dosažených výsledků. Zdrojem drcené gumy pro nové zvukově pohltivé prvky byly automobilové pneumatiky. V závěru příspěvku je uvedena praktická aplikace nově vyvinutého protihlukového prvku v prostředí fotbalového hřiště. Klíčová slova: antivibrační rohož, akustická pohltivost, multifunkční gabion Úvod Pohybem kolejových vozidel vzniká hluk, který se šíří do okolí tratě vzduchem (akustický hluk). Současně se však hluk šíří z kolejového roštu do pražcového podloží (zemní hluk). V současné době se hluk stal jedním z hlavních faktorů ovlivňujícím životní prostředí člověka. Hluk z kolejové dopravy působí velké problémy v zastavěných částech měst a obcí, především v místech určených pro bydlení. Z toho důvodu se v posledních letech klade velký důraz na snižování hlukových emisích vyzařovaných jednak samotnými vlakovými soupravami, ale i vyzařovaných ze samotné dopravní cesty při průjezdu vlaku. Pro snížení hluku z dopravní cesty se v současné době využívají materiály umožňující pohlcování akustické energie. Jedná se o materiály s vysokou akustickou pohltivostí. Jedním z materiálů, který má výborné akusticky pohltivé vlastnosti je drcená guma vyrobená z vyřazených automobilových pneumatik. Drcená guma - výroba Pro výrobu drcené gumy jsou využívány opotřebené pneumatiky a jiný pryžový odpad předaný k recyklaci v souladu s platnou legislativou. Největší podíl tvoří pneumatiky z osobních automobilů, lehkých užitkových vozidel a z nákladních automobilů. Veškerý přijatý materiál je před zpracováním roztříděn dle druhu, velikosti a stupně znečištění. Pryž znečištěná nebezpečnými látkami není k recyklaci přijímána. Silně znečištěné pneumatiky nejsou vhodné k zpracování pro další materiálové využití drcené gumy a jsou zpracovány odděleně pro energetické využití. S ohledem na technické parametry recyklační linky jsou případně pneumatiky a jiná opotřebená pryž předzpracovány na přídavných zařízeních (průmyslové nůžky, vytrhávačka patních lan). Kategorie pneumatik vybraných k recyklaci a technologie zvolená k jejich zpracování mohou významně ovlivnit kvalitu gumového granulátu. V závislosti na následném využití drcené gumy je důležité vstupní materiál omezit pouze na materiál jedné kategorie, neboť pneumatiky pro osobní automobily mají jinou strukturu a složení než pneumatiky pro automobily nákladní. Složení pneumatik v rámci jedné kategorie je dostatečně podobné, takže je zajištěno, že výsledný materiál z procesu recyklace bude mít konzistentní identifikovatelné vlastnosti, které se s časem nebudou měnit. Pro materiálové využití vyřazených pneumatik v dopravním stavitelství se používá celá řada technologií, zejména však granulace. K výrobě granulátu se uplatňují postupy založené na úpravě v drticích linkách klasickým mechanickým nebo kryogenním způsobem, případně se k rozkladu gumy používá působení ozónu.
Klasický mechanický způsob zpracování pneumatik spočívá v rozřezání materiálu pneumatik systémem nožů za normální teploty nebo při teplotách vyšších. V průběhu recyklačního procesu jsou magneticky separovány kovové prvky a pomocí vzduchu je oddělena textilní složka vstupního materiálu. Postupné snižování velikosti částic probíhá v jednom nebo ve více sériových granulátorech. Následně je materiál proséván sadou sít a prochází sítovacím postupem, během něhož je separován kov a textil a kdy jsou získány frakce jednotné velikosti. Protože tento proces probíhá při teplotě okolí bez chemického nebo tepelného zpracování, makrostruktura vazeb v materiálu zůstává nezměněna a výsledný granulát si zachovává materiálové charakteristiky z původní pryže pneumatik (vysokou elasticitu v poměrně širokém rozmezí teplot, vysokou pevnost a odolnost proti opotřebení). Takto vyrobený granulát se vyznačuje částicemi nepravidelného tvaru. Při kryogenním způsobu zpracování pneumatik je materiál ochlazen kapalným dusíkem nebo komerčními chladícími médii na velmi nízkou teplotu, aby pryž zkřehla. Proces má čtyři fáze: počáteční zmenšení velikosti částic, zchlazení, separaci a drcení. Nejprve je materiál v mrazící komoře ochlazen pod teplotu skelného přechodu, tj. na -80 až -120 C. Po zchlazení se pryž stane křehkou a lze ji na požadovanou velikost spíše lámat než řezat. Vzhledem ke křehkosti pryže se z ní pak snadno oddělují vlákna a kovy. Granulát následně prochází řadou magnetických sít a sítovací jednotkou, kde jsou odstraněny poslední stopy nečistot. Povrch výsledných granulí je hladký a jejich tvar je pravidelný. Kryogenní systémy jsou často provozovány souběžně s linkou na rozmělnění za normální teploty. V mnoha případech jsou oba procesy spojeny a umožňují těžit z výhod a vlastností každé z nich, čímž lze dosáhnout snížení celkových výrobních nákladů. V České republice jsou zařízení pro úpravu vyřazených pneumatik vybavena technologiemi zaměřenými na klasický způsob zpracování pneumatik. Některé další provozy zaměřené na jiné způsoby rozkladu vyřazených pneumatik byly nebo jsou ve zkušebním provozu. Výsledná velikost granulí se nejčastěji pohybuje v rozmezí 1 až 10 mm. V každé frakční skupině se však vyskytují i fragmenty a částice, které překračují vymezené spektrum velikostí částic. Pro výběr materiálů k využití granulátu ve výrobcích je však velikost částic a rozdělení částic dle velikosti klíčovým faktorem. Současné aplikace Drcenou gumu vyrobenou převážně z vyřazených automobilových pneumatik je nutno chápat ne jako konečný výrobek, ale jako surovinu pro výrobu nových výrobků. Pro použití u kolejových staveb se ukazuje jako účinné, ekologické a perspektivní řešení využití pryžového granulátu z pneumatik k výrobě antivibračních rohoží, bokovnic, případně jiných stavebních prvků snižujících negativní dopad kolejové dopravy (hluk a vibrace) na životní prostředí. Antivibrační rohože Antivibrační rohože jsou plošné prvky ve tvaru desek nebo pásů zpravidla o tloušťce 10 50 mm. Povrch antivibračních rohoží může být hladký, rýhovaný nebo s výstupky. Antivibrační rohože v tělese železničního spodku se používají při stavbě, rekonstrukcích a opravách tělesa železničního spodku (obr. 1, obr. 2). Cílem použití antivibračních rohoží je snížení vibrací, které působí na zemní pláň a přenášejí se do objektů, v nichž je stanovena přípustná úroveň vibrací. Jedním ze způsobů výroby antivibarčních rohoží je jejich výroba z gumového granulátu z vyřazených automobilových pneumatik. Gumový granulát je pojen nejčastěji polyuretanovým pojivem.
Obr. 1 Příklad použití antivibračních rohoží v pražcovém podloží Obr. 2 Pohled na položenou vrstvu antivibračních rohoží z drcené gumy v prostoru zastávky Světice Bokovnice Bokovnice jsou tlumící prvky vkládané po stranách kolejnice. Skládají se z vnitřního a vnějšího profilu (obr. 3). Omezují přenos hluku a vibrací z pojíždějícího kolejového vozidla do okolního prostředí a izolují kolejnice proti bludným proudům. Využívají se především na tramvajových tratích. Mohou být též doplněny podložkou pod patu kolejnice.
Obr. 3 Bokovnice pro tramvajové tratě Protihlukové clony s pohltivým povrchem Nejčastější typem protihlukové clony je protihluková stěna. Protihlukové stěny jsou součástí dopravní cesty pouze jako ochranné stavby, snižující vliv nepříznivých účinků dopravy, především hluku, na obyvatelstvo a již neplní jinou funkci. Protihlukové stěny se z pohledu akustického účinku rozdělují na stěny s odrazivým nebo pohltivým povrchem. Drcená guma se využívá u protihlukových stěn s pohltivým povrchem. Kompozit na bázi drcené gumy a pojiva umožňuje vytvářet nejen vhodné tvary ale i barevné kompozice povrchu protihlukových stěn. Příklad pohltivého povrchu nízké protihlukové stěny je na obr. 4 Obr. 4 Pohled na pohltivou vrstvu z drcené gumy v konstrukci nízké protihlukové stěny typu BRENS BARRIER Nová aplikace multifunkční gabion Od roku 2011 je Katedra železničních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze členem řešitelského týmu grantového projektu TAČR číslo TA 01020760 Multifunkční gabion s využitím recyklovaných
materiálů. Jedním z cílů tohoto projektu je experimentálně ověřit možnost využití drcené gumy ve formě desek jako zvukově pohltivého materiálu do konstrukce gabionu. Gabion je nejčastěji drátokamenný prvek ve tvaru krychle, kvádru nebo plošné matrace, vyrobený z šestibokého ocelového pletiva, svařovaných ocelových sítí nebo polymerových geomřížek a vyplněný přírodním nebo lomovým kamenem, případně vhodným recyklátem. Technický popis multifunkčního gabionu s pohltivou vrstvou Standardní gabionová konstrukce je doplněna o akusticky pohltivý líc, který je v gabionu vytvořen dvěma samonosnými gumovými deskami v tloušťkách 100 nebo 120 mm. Jedná se o kompozit na bázi granulátu z recyklované pryže pojené polyuretanovým pojivem. Obchodní označení akusticky pohltivých desek u firmy MONTSTAV CZ s.r.o. je Protihluková deska PHD. Povrch protihlukových desek PHD je profilován. Protihlukové desky PHD se vkládají při stavbě dovnitř gabionu a vytváří pohledovou stranu gabionu. Protihlukové desky PHD nahrazují skladbu pohledového líce z kamene. Gabionové koše a jádro gabionu jsou navrhovány a realizovány standardními postupy. Projektový návrh gabionu je posuzován z hlediska statického a z hlediska akustického. Technologie montáže se provádí standardním postupem a nevyžaduje žádné specifické nároky na zhotovitele a jeho vybavení. Instalace desek je rychlá a významně zkracuje dobu montáže oproti klasickému gabionu se skládaným kamenem. Desky PHD jsou vyráběny v základní černé barvě. V případě architektonických požadavků mohou být libovolně probarveny nebo obarveny. Základní rozměry protihlukových desek PHD jsou 100 50 12 cm, s drážkovaným povrchem a hmotností cca 34 kg. Realizace zkušebního úseku - Hlubočepy Pro realizaci zkušebního úseku v podmínkách SŽDC byla vybrána lokalita na běžně provozované trati dle TTP č. 520B Praha Smíchov Na Knížecí Hostivice. Sledovaný úsek je situován v mezi zastávkovém úseku Praha Smíchov sever. n. Praha Žvahov staniční km 4, 0. Výstavba gabionu byla plánována u obytného domu v ulici Slivenecká a vedla v ose současného oplocení, tj. po levé straně mezi soukromým pozemkem a železniční tratí. Gabiony v místě zkušebního úseku plní funkci akustické clony, která by měla účinně ochránit přilehlou zástavbu před nadměrným hlukem z provozu železniční tratě. V místě zkušebního úseku byl postaven jak klasický gabion, tak multifunkční gabion. Multifunkční i klasický gabion na sebe stavebně navazují a tvoří jednu souvislou akustickou clonu o celkové délce 60,0 m a výšce 2,5 m. Všechna patra jsou o stavební hloubce 0,8 m. V multifunkčním gabionu byly aplikovány optimalizované protihlukové desky PHD tloušťky 0,12 m s profilem povrchu vzoru svislých lamel a v kombinovaném barevném provedení černá/zelený melír (obr. 7). Výplň multifunkčního gabionu a klasický gabion jsou tvořeny z přírodního kamene, síť gabionů je standardní. Dílčím cílem výstavby bylo ověření akustické účinnosti clony v reálných podmínkách in-situ. Před a po výstavbě gabionové clony byly proveden měření hluku z průjezdu motorových vozů 810. Z naměřených výsledků vyplývá, že vlivem gabionu, coby překážky v šíření hluku, klesl hluk v úrovni 1,6 m nad terasou rodinného domu o cca 8 db. Je třeba respektovat skutečnost, že měřící body se nacházely v oblasti za realizovanou gabionovou stěnou. Měření akustické pohltivosti INSITU pomocí akustické intenzity jsou naplánována na duben 2014.
Obr. 5 Pohled na zkušební úsek před realizací klasického a multifunkčního gabionu Obr. 6 Pohled na zkušební úsek po realizací klasického a multifunkčního gabionu
Obr. 7 Detail přechodu klasického a multifunkčního gabionu včetně barevného provedení černá/zelený melír Fotbalové hřiště V roce 2013 firma MONTSTAV CZ s.r.o, navrhla a realizovala protihluková opatření na tréninkovém hřišti provozovaném TJ KSNP Sedlec Karlovy Vary. Hřiště je ve vlastnictví města Karlovy Vary. Cílem navržených technických hlukových opatření bylo snížení hluku emitovaného mantinelem při dopadu míče a snížení celkové hlučnosti hřiště při vlastní hře. Investorem protihlukových opatření bylo město Karlovy Vary a fotbalový svaz FAČR. Technická opatření byla rozdělena do třech etap. První etapa úprava stávajících mantinelů Tréninkové hřiště je vybaveno mantinely o výšce 100 cm po celém obvodu hřiště. Mantinely jsou řešeny ocelovou nosnou rámovou konstrukcí, na kterou jsou připevněna vodorovně dřevěná prkna o tloušťce cca 3,0 cm (obr. 8). Tato konstrukce byla z pohledu emitování hluku při dopadu míče nevhodná a byla jedním z výrazných zdrojů hluku. Prkna se při dopadu míče vibrovala. Firma MONTSTAV CZ s.r.o. navrhla na stávající konstrukci mantinelu připevnit antivibrační rohože, které má firma běžně ve výrobním programu pod označením Gumová rohož AVR. Základním materiálem pro výrobu gumových rohoží je pryžový kompozit el-mo, který je vyráběn z gumového granulátu vlastní produkce pojeného pojivem v mikrovlnném technologickém procesu. Pro potřeby aplikace na vnitřní stranu mantinelu fotbalového hřiště bylo vyrobeno a namontováno celkem 250 kusů gumových rohoží černé barvy (obr. 9) o rozměrech 100 50 2,5 cm se specifickou hmotností 800 kg.m -3.
Obr. 8 Pohled na dřevěný mantinel před realizací protihlukových opatření Obr. 9 Pohled na mantinel po připevnění gumových rohoží AVR firmy MONTSTAV CZ s.r.o. Dne 19. 11. 2013 provedla firma AKON, Horšovský Týn měření útlumu hluku od úderu míče do mantinelu s a bez protihlukové úpravy. Cílem měření bylo stanovit rozdíl ekvivalentních hladin
akustického tlaku po dopadu fotbalového míče. Metodika měření a vyhodnocení je podrobně popsána v závěrečné zprávě [2]. Celkem bylo provedeno a vyhodnoceno 20 dopadů míče na mantinel bez protihlukové úpravy a celková změřená ekvivalentní hladina akustického tlaku hluku L Aeq,(t) dosáhla hodnoty 77,8 db. Stejný počet dopadů míčů byl proveden na hlukově upraveném mantinelu osazeném z vnitřní strany hrací plochy gumovými rohožemi AVR fa MONTSTAV CZ. Celková změřená ekvivalentní hladina akustického tlaku hluku L Aeq,(t) dosáhla hodnoty 73,3 db. Instalací gumových rohoží na vnitřní stranu mantinelu bylo dosaženo snížení hluku od dopadu míčů o 4,5 db. Firma AKON, Horšovský Týn dále doporučila obložit i vnější stranu mantinelu gumovými rohožemi. V případě, že bude mantinel obložen z vnější i z vnitřní strany, bude dosažena hodnota ekvivalentní hladina akustického tlaku hluku L Aeq,(t) = 71,8 db. Doporučené řešení se realizovalo pouze na části hřiště. Celkem bylo použito na vnější stranu mantinelů 56 ks rozměrově upravených protihlukových desek používaných pro protihlukové stěny (obr. 10) Druhá etapa vybudování lehké protihlukové stěny Cílem druhé etapy výstavby protihlukových opatření na fotbalovém hřišti bylo vytvoření hlukového stínu mezi fotbalovým hřištěm a přilehlými obytnými objekty. V části hřiště byla navržena lehká zvukově pohltivá protihluková stěna malé výšky (2,0 m od povrchu hrací plochy) obr. 11. Nosná část protihlukové stěny byla navržena z kovových profilů, na které byly připevněny gumové desky o rozměrech 100 100 5 cm se specifickou hmotností 700 kg.m -3. Lícový povrch gumových desek je pro zvýšení zvukové pohltivosti v pravidelném rastru profilovaný (obr. 12). Stěna byla volně postavena na povrch a opřena o stávající mantinel a oplocení fotbalového hřiště (obr. 13). Toto řešení vedlo k naklonění stěny od vertikály cca o 10. Celková délka realizované lehké protihlukové stěny byla 60 m. Účinnost protihlukové stěny měřením nebyla do vydání tohoto článku realizována z důvodu zákazu vstupu na sousedící pozemky. Obr. 10 Pohled na vnitřní stranu mantinelu s vrstvou protihlukových desek
Obr. 11 Pohled na část realizované lehké pohltivé protihlukové stěny Obr. 12 Detail lícového povrchu pohltivých gumových desek
Obr. 13 Pohled na konstrukci lehké pohltivé protihlukové stěny Třetí etapa úprava stávající betonové opěrné stěny Cílem třetí etapy protihlukových úprav na fotbalovém hřišti bylo snížit odraz zvuku od stávající betonové opěrné zdi (obr. 14). Stávající betonová zeď působila jako odrazivá plocha a byla nasměrována přímo na obytné objekty. Firma MONTSTAV CZ navrhla na povrch betonové stěny připevnit protihlukové desky PHD. Navržené protihlukové desky PHD konstrukčně vycházejí z výsledků výzkumného projektu TAČR číslo TA 01020760 Multifunkční gabion s využitím recyklovaných materiálů. Jsou vyrobeny z pryžového kompozitu el-mo, který je vyráběn z gumového granulátu pojeného pojivem. Desky jsou černé barvy o rozměrech 100 50 15 cm se speciálně tvarovaným lícovým povrchem a specifickou hmotností 600 kg.m -3. Protihlukové desky PHD dosahují v laboratorních podmínkách kategorie pohltivosti A3 podle ČSN EN 1793-1 s hodnotou pohltivost DLα = 7 db [1]. Celkem bylo instalováno na betonovou zeď 60 kusů protihlukových desek PHD firmy MONTSTAV CZ (obr. 15). Dne 19. 11. 2013 provedla firma AKON, Horšovský Týn měření akustické pohltivosti INSITU pomocí akustické intenzity u betonové opěrné stěny před a po instalaci protihlukových desek PHD. Cílem měření bylo stanovit rozdíl akustické pohltivosti. Metodika měření a vyhodnocení je podrobně popsána v [2]. Výsledkem měření a vyhodnocení byla vážená hodnota akustické pohltivosti DLα. U betonové opěrné zdi bez hlukové úpravy dosáhla hodnoty 0,4 db. U betonové opěrné zdi s připevněnými protihlukovými deskami PHD firmy MONTSTAV CZ byla naměřena vážená hodnota akustické pohltivosti DLα = 3,1 db, což je zlepšení o 775% (100% odpovídá 0,4 db).
Obr. 14 Pohled na opěrnou betonovou stěnu před instalací protihlukového opatření Obr. 15 Pohled na opěrnou betonovou stěnu s připevněnými protihlukovými deskami PHD firmy MONTSTSAV CZ
Závěr Recyklace je výraz pro nakládání s odpadem, které vede k jeho dalšímu využití. Jedná se o opětovné cyklické využití odpadů a jejich vlastností jako druhotné suroviny ve výrobním procesu. Uvedené příklady nových protihlukových prvků z drcené gumy zcela naplňují definici recyklace. Aktuálně je dle názorů autorů technologicky vyřešena otázka drcení automobilových pneumatik, ale zůstává otázka jak dále nakládat s gumovým granulátem. Pozitivním příkladem mohou být výrobky uvedené v tomto článku. Při výstavbě multifunkčního gabionu a protihlukových opatření na fotbalovém hřišti Karlovy Vary Sedlec, bylo zpracováno celkem cca 15,3 tun gumového granulátu z vyřazených automobilových pneumatik. Příspěvek byl zpracován za podpory programu Centra kompetence Technologické agentury České republiky (TAČR) v rámci projektu Centrum pro efektivní a udržitelnou dopravní infrastrukturu (CESTI), číslo projektu TE01020168 a projektu TAČR č. TA 01020760 Multifunkční gabion s využitím recyklovaných materiálů. Literatura [1] Průběžná zpráva o plnění projektu č. TA01020760. Multifunkční gabion s využitím recyklovaných materiál. Praha, prosinec 2013. [2] Šnajdr, K.: Protihluková opatření na fotbalovém hřišti Karlovy Vary Sedlec. In: Zpráva z měření, Horšovský Týn, 2013. [3] Štulíková L., Krejčiříková H., Širjovová D.: Multifunkční gabion s využitím recyklovaných materiálů, In: Nová železniční technika. 2013, roč. 21, č. 3, s. 11-13. ISSN 1210-3942.